綠色植物無(wú)氧呼吸實(shí)驗(yàn)探究

戚智河 （廣東省廣州市從化區(qū)城郊中學(xué) 廣東廣州 510920）

有很多教師對(duì)人教版教材（2012）生物學(xué)7年級(jí)上冊(cè)“綠色植物的呼吸作用”中的3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)作了改進(jìn)，大多集中在選擇材料、實(shí)驗(yàn)方法或儀器設(shè)備的應(yīng)用上。例如，在選擇材料方面，有的用新鮮菜葉，有的用萌發(fā)種子，也有人用新鮮果實(shí)；在實(shí)驗(yàn)方法上，有的用燃燒著的木條直接檢驗(yàn)O2的減少，有的先去除CO2的“干擾”后，再用燃燒著的木條進(jìn)行檢驗(yàn)；在儀器設(shè)備的應(yīng)用上，有的用保溫瓶，有的用廣口玻璃瓶，有的用礦泉水塑料瓶，也有人用塑料薄膜袋。這些均有一定的道理，其根本目的就是為了說(shuō)明3個(gè)問(wèn)題，包括植物呼吸作用會(huì)釋放熱量，植物呼吸作用會(huì)釋放出CO2，以及植物呼吸作用會(huì)消耗O2。

然而，很少人會(huì)利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)去探究另一個(gè)問(wèn)題，即綠色植物的無(wú)氧呼吸。在供氧不足或沒(méi)有O2時(shí)，綠色植物會(huì)進(jìn)行無(wú)氧呼吸釋放熱量，產(chǎn)生CO2和酒精。

1 問(wèn)題的提出

學(xué)生在一次幫忙準(zhǔn)備 “綠色植物的呼吸作用”實(shí)驗(yàn)，從25℃恒溫箱中取出密封的、裝有萌發(fā)綠豆［Vigna radiata （Linn.）Wilczek］種子的礦泉水塑料瓶時(shí)，發(fā)現(xiàn)瓶身發(fā)硬，瓶?jī)?nèi)氣壓升高，打開瓶蓋，還聞到一股酒香味。學(xué)生的提問(wèn)“礦泉水塑料瓶發(fā)硬，是瓶?jī)?nèi)氣體受熱膨脹導(dǎo)致的嗎？而酒香又是怎樣來(lái)的？”教師一時(shí)也無(wú)法解答。經(jīng)過(guò)反復(fù)思考、分析和實(shí)驗(yàn)探究之后證明，這個(gè)“發(fā)硬”和“酒香”除了與氣體受熱膨脹、微生物的發(fā)酵有關(guān)之外，還與植物的呼吸作用有關(guān)，特別是植物的無(wú)氧呼吸。

塑料瓶瓶身發(fā)硬，瓶?jī)?nèi)氣壓升高，在排除氣體受熱膨脹和微生物發(fā)酵導(dǎo)致之后，意味著瓶?jī)?nèi)氣體增加了。植物有氧呼吸是吸入O2排出CO2的，瓶?jī)?nèi)氣體增加意味著排出的CO2大于吸入的O2，即呼吸商大于1。雖然，無(wú)氧呼吸的呼吸商接近無(wú)限大，產(chǎn)生的CO2會(huì)使塑料瓶瓶身發(fā)硬，瓶?jī)?nèi)氣壓升高。但是，呼吸商大于1還不能說(shuō)明萌發(fā)的綠豆種子進(jìn)行了無(wú)氧呼吸，因?yàn)橛行┪镔|(zhì)氧化分解的呼吸商也是大于1的，例如檸檬酸，蘋果酸等。至于“酒香味”，無(wú)氧呼吸確實(shí)會(huì)產(chǎn)生酒精，但微生物的發(fā)酵也能產(chǎn)生酒精。所以，要說(shuō)萌發(fā)的綠豆種子進(jìn)行了無(wú)氧呼吸，還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明［1］。

2 現(xiàn)實(shí)生活中植物呼吸作用的存在

在現(xiàn)實(shí)生活中，很容易就能感覺(jué)到植物呼吸作用的存在。 例如，荔枝（Litchi chinensis Sonn）、龍眼（Dimocarpus longan）果實(shí)成熟季節(jié)，用紙箱裝著新鮮的果實(shí)，第2天將手伸進(jìn)箱內(nèi)取果時(shí)，會(huì)感覺(jué)到果實(shí)發(fā)熱，存放時(shí)間長(zhǎng)了，還可以聞到酒味。有人吃了幾個(gè)荔枝后開車，還被查出“酒駕”。又例如，香蕉（Musa nana Lour.）、紅柿（Diospyros oldhami Maxim）、西紅柿（Lycopersicon esculentum Mill）等催熟時(shí)也會(huì)發(fā)熱。兒時(shí)在家負(fù)責(zé)晾曬稻谷（Olyza SativaL.），稻谷被雨水淋濕后堆放在一起，會(huì)發(fā)芽發(fā)熱，即便是秋冬季節(jié)，也能感覺(jué)到“熱氣騰騰”，夏季則更明顯。如果在街市買芽菜時(shí)留心，用手摸一下盛發(fā)芽菜用的罐子，一定能感覺(jué)到“熱”的存在。這些都是植物呼吸作用釋放出熱量導(dǎo)致的。

植物在進(jìn)行有氧呼吸的同時(shí)還會(huì)進(jìn)行無(wú)氧呼吸。當(dāng)O2不足或者沒(méi)有O2的情況下，植物會(huì)進(jìn)行無(wú)氧呼吸。有氧呼吸產(chǎn)生的能量較多，無(wú)氧呼吸產(chǎn)生的能量較少。這些能量小部分用于植物各種生理活動(dòng)，大部分以熱的形式散發(fā)到大氣中。因此，可以感覺(jué)到它們“發(fā)熱”。

3 綠色植物無(wú)氧呼吸演示實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，可以證明綠色植物在O2不足或者沒(méi)有O2的情況下，會(huì)進(jìn)行無(wú)氧呼吸釋放熱量，釋放CO2和產(chǎn)生酒精？以下演示實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

將400 g左右的綠豆種子用水浸泡6～12 h后，轉(zhuǎn)放0.1%的KMnO4溶液中浸泡5 min消毒殺菌，用以排除微生物發(fā)酵的影響。將綠豆種子分成2份，其中一份煮熟，并冷卻至室溫。然后分別裝入2個(gè)家庭用塑料保鮮袋中，用家用手動(dòng)抽真空器抽成真空（或者先向袋里充滿涼開水或0.1%的KMnO4溶液，用手抓住袋口排盡空氣，然后倒轉(zhuǎn)，小心地把水排出，使袋內(nèi)形成“真空”），在靠近袋口處打個(gè)活結(jié)，確保塑料保鮮袋密封缺乏O2。將綠豆種子連同保鮮袋一起分別放入2個(gè)保溫瓶（杯）中，各插入一支溫度計(jì)后，用棉花團(tuán)塞住瓶口，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上放一支溫度計(jì)，用于測(cè)量室內(nèi)溫度。放置12～24 h后再做以下實(shí)驗(yàn)，注意觀察和記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并通過(guò)比較和分析之后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.1 植物無(wú)氧呼吸釋放熱量

實(shí)驗(yàn)：12～24 h后，讀取3支溫度計(jì)的讀數(shù)。

現(xiàn)象：保溫瓶中溫度計(jì)的讀數(shù)為：裝活種子的20℃，裝煮熟種子的17℃，實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上溫度計(jì)的讀數(shù)為：17℃。

結(jié)論：活著的綠豆種子在O2不足或者沒(méi)有O2的情況下，會(huì)進(jìn)行無(wú)氧呼吸釋放熱量。

3.2 植物無(wú)氧呼吸產(chǎn)生CO2

實(shí)驗(yàn)：小心取出保溫瓶（杯）中2袋實(shí)驗(yàn)樣品，檢查塑料保鮮袋的變化。

現(xiàn)象：裝煮熟種子的塑料保鮮袋內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生氣體，裝活種子的塑料保鮮袋發(fā)脹，袋內(nèi)產(chǎn)生了氣體。

實(shí)驗(yàn)：用20 mL針筒先抽取5～10 mL澄清石灰水，再用針頭刺破保鮮袋，確保針筒垂直向下時(shí)慢慢地抽取5～10 mL袋內(nèi)氣體，使澄清石灰水與袋內(nèi)氣體充分接觸，觀察澄清石灰水是否有變化？

現(xiàn)象：澄清石灰水變渾濁。

結(jié)論：活的綠豆種子在氧氣不足或者沒(méi)有O2的情況下，會(huì)進(jìn)行無(wú)氧呼吸產(chǎn)生CO2。

3.3 植物無(wú)氧呼吸產(chǎn)生酒精

實(shí)驗(yàn)：打開保鮮袋袋口活結(jié)，聞一聞綠豆種子的氣味。現(xiàn)象：煮熟的種子沒(méi)有酒味，活種子有酒味。結(jié)論：活的綠豆種子在O2不足或者沒(méi)有O2的情況下，會(huì)進(jìn)行無(wú)氧呼吸產(chǎn)生了酒精。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，植物在有O2的條件下將有機(jī)化合物氧化分解產(chǎn)生CO2和水，同時(shí)釋放能量供生命活動(dòng)需要的過(guò)程，稱為有氧呼吸。其化學(xué)反應(yīng)式（以葡萄糖為例）為：C6H12O6+6O2-酶→6CO2+6H2O+能量。植物組織在供氧不足或者缺乏O2時(shí)，體內(nèi)有機(jī)物也可以分解，產(chǎn)生CO2和酒精，同時(shí)釋放少量能量，供生命活動(dòng)需要的過(guò)程稱為無(wú)氧呼吸?；瘜W(xué)反應(yīng)式（以葡萄糖為例）為：C6H12O6—酶→2CO2+2C2H5OH+少量能量［2］。正是因?yàn)槊劝l(fā)的綠豆種子進(jìn)行了無(wú)氧呼吸，所以才會(huì)有學(xué)生發(fā)現(xiàn)的“塑料瓶發(fā)硬”和“酒香味”現(xiàn)象。

因此，增加上述“綠豆萌發(fā)種子的無(wú)氧呼吸”演示實(shí)驗(yàn)之后，“綠色植物的呼吸作用”的4個(gè)演示實(shí)驗(yàn)不僅可以探究植物呼吸作用會(huì)釋放熱量，釋放CO2，消耗 O2，還能夠探究植物在 O2不足或沒(méi)有O2的情況下，會(huì)進(jìn)行無(wú)氧呼吸釋放熱量，釋放CO2和產(chǎn)生酒精。